復合動力車輛冷卻系統(tǒng)仿真模型建立

1、 復合動力車輛冷卻系統(tǒng)仿真模型建立摘要復合動力車輛動力系統(tǒng)，除傳統(tǒng)內(nèi)燃機外還包含動力分配模塊、電力電子/電池模塊等，車輛走行時各模塊進行運轉(zhuǎn)皆會產(chǎn)生熱量，產(chǎn)生之熱量必須透過冷卻系統(tǒng)進行散熱，以確保系統(tǒng)能正常運作，透過仿真模型可快速修改冷卻回路設(shè)計參數(shù)，并可仿真系統(tǒng)于不同工況下運轉(zhuǎn)情形，快速了解系統(tǒng)熱交換情形，進而確認組件優(yōu)化設(shè)定 值 ，以提高工作效率，縮短開發(fā)時程，有效降低成本。關(guān)鍵詞復合動力、發(fā)動機、冷卻系統(tǒng)、熱量、優(yōu)化目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc16763274 1.前言 PAGEREF _Toc16763274 h 3 HYPERLINK l

2、_Toc16763275 2.復合動力車輛冷卻系統(tǒng)仿真模型建立 PAGEREF _Toc16763275 h 3 HYPERLINK l _Toc16763276 2.1.發(fā)動機冷卻回路模型 PAGEREF _Toc16763276 h 4 HYPERLINK l _Toc16763277 2.2.動力分配模塊冷卻模型 PAGEREF _Toc16763277 h 5 HYPERLINK l _Toc16763278 2.3.電力電子/電池模塊冷卻回路模型 PAGEREF _Toc16763278 h 7 HYPERLINK l _Toc16763279 3.仿真模型標定 PAGEREF _T

3、oc16763279 h 9 HYPERLINK l _Toc16763280 3.1.動力分配模塊模型標定 PAGEREF _Toc16763280 h 9 HYPERLINK l _Toc16763281 3.2.電力電子/電池模塊模型標定 PAGEREF _Toc16763281 h 10 HYPERLINK l _Toc16763282 4.仿真模型靈敏度分析 PAGEREF _Toc16763282 h 11 HYPERLINK l _Toc16763283 5.結(jié)果與建議 PAGEREF _Toc16763283 h 12前言因應(yīng)溫室效應(yīng)及空污等相關(guān)環(huán)保議題及各國不斷加嚴的油耗、排

4、污法規(guī)，使得節(jié)能減碳為目前各大車廠重要需解決問題。世界各大車廠皆以改善油耗、減少排污為目標，在現(xiàn)有發(fā)動機為基礎(chǔ)下上不斷尋求改善方案，開發(fā)出更卓越的技術(shù)以對應(yīng)法規(guī)的要求，并改善排放污染的問題。使用新能源或復合動力是達到節(jié)能減碳的快速方法，插電式復合動力車輛(PHEV，Plug-in Hybrid Vehicle)，就是其中一種。插電式復合動力車輛(PHEV)，主要在車輛上安裝電池模塊讓車輛可以于短程行駛時使用，復合動力車上另配置有發(fā)動機及增程系統(tǒng)故當車輛需要長途行駛時仍可像傳統(tǒng)汽油車一樣暢行無阻。不論是傳統(tǒng)發(fā)動機車輛或是復合動力車輛，系統(tǒng)做動時皆會產(chǎn)生熱量，在高溫的工況下熱會影響系統(tǒng)組件作動效率

5、及使用壽命，為確保系統(tǒng)能在各工況下正常做動，冷卻系統(tǒng)的設(shè)計是相當重要的一環(huán)工作。Simcenter Amesim軟件內(nèi)建液壓、氣壓等各式具模塊組件庫，可用來快速搭建冷卻系統(tǒng)仿真模型，透過仿真模型可直接進行系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定及調(diào)整，并可搭配優(yōu)化工具，進行設(shè)計參數(shù)優(yōu)化，對冷卻系統(tǒng)設(shè)計來說是非常有效率的工具。復合動力車輛冷卻系統(tǒng)仿真模型建立復合動力車輛冷卻系統(tǒng)涵蓋范圍包含：(1)發(fā)動機冷卻回路、(2)空調(diào)系統(tǒng)冷卻回路、(3)動力分配模塊冷卻回路、(4)電力電子/電池模塊冷卻回路，復合動力系統(tǒng)運作時，不論是發(fā)動機、動力分配總成、電力電子/電池模塊等皆會產(chǎn)生熱量，為確保各回路皆能正常運作，冷卻系統(tǒng)的設(shè)計是相

6、當重要的，冷卻系統(tǒng)主要功能就是針對上述回路進行溫度控制，以確保組件皆能維持正常工作溫度，不會過熱，以讓復合動力車輛發(fā)揮最高效率。本文主要針對復合動力冷卻系統(tǒng)仿真模型建立方法進行說明，主要探討范圍為：(1)動力分配模塊冷卻回路，(2) 電力電子/電池模塊冷卻回路，透過Simcenter Amesim工具軟件進行復合動冷卻系統(tǒng)仿真模型搭建，以快速確認冷卻系統(tǒng)設(shè)計是否可滿足需求及找出冷卻系統(tǒng)優(yōu)化方案。發(fā)動機冷卻回路模型復合動力車輛所搭載發(fā)動機為一般傳統(tǒng)發(fā)動機，其冷卻回路包含：水泵、水套、節(jié)溫器、水箱等組件，發(fā)動機在復合動力車輛中主要功能為高車速時作為主要動力源，在中、低車速則用來帶動同軸發(fā)電機(IS

7、G)進行發(fā)電，對電池回充， 確保電池SOC (Stage ofCharge)處于電量足夠的狀態(tài)。發(fā)動機冷卻回路仿真模型搭建系利用IPF-Engien組件庫件進行搭建，搭建時依據(jù)發(fā)動機實際物理模型搭建，將其冷卻回路依序利用等校模搭建完成，最后再與其他冷卻回路連結(jié)，如圖(1)所示為發(fā)動機冷卻系統(tǒng)模型。圖(1) 發(fā)動機冷卻系統(tǒng)模型動力分配模塊冷卻模型動力分配模塊內(nèi)含：驅(qū)動馬達(TM)、同軸發(fā)電機(ISG)、齒輪系統(tǒng)、離合器系統(tǒng)等，其中ISG承接發(fā)動機動力進行發(fā)電以維持整車電量平衡，TM則是作為車輛驅(qū)動源，齒輪系統(tǒng)則讓發(fā)電機與馬達以最適合齒比運作，ISG/TM作動模式則是透過離合器及液壓系統(tǒng)進行動力模

8、式切換，不論ISG或TM車輛走行時皆會整生熱量，透過動力分配模塊內(nèi)部液壓油(ATF)帶走熱量，在流至外卻器進行熱交換，以確保動力分配模塊內(nèi)部所有組件皆能維持正常工作溫度。如圖(2)所示，為動力分配模塊冷卻回路示意圖。動力分配模塊冷卻回路仿真模型，主要發(fā)熱源包含：ISG本體、TM本體及離合器(C0離合器、C1離合器)、外部冷卻器。ISG/TM仿真模型暫不考慮轉(zhuǎn)子與靜子之間細部熱交換，將轉(zhuǎn)子/靜子視為同一熱質(zhì)量塊，模型中計算發(fā)熱量后再透過熱交換組件與模塊內(nèi)部液壓油進行熱交換，如圖(3)所示為ISG/TM熱交換模型。圖(3) ISG/TM熱交換模型離合器仿真模型包含：C0離合器及C1離合器兩個發(fā)熱源

9、，仿真模型搭建時將C0離合器、C1離合器各視為一熱質(zhì)量塊，串接在回路中透過熱交換組件與模塊內(nèi)部液壓油進行熱交換，如圖(4)所示為離合器熱交換模型。圖(4) 離合器熱交換模型外部冷卻器主要功能是讓液壓油與外部空氣進行熱交換，以確保液壓油溫度維持正常工作溫度，外部冷卻器仿真模型是使用”heat flow rate calculation”組件進行模型連接，一端與動力分配模塊油路回路連接，一端輸入外部熱交換介質(zhì)連接(空氣)以進行熱交換并將熱交換效率分布圖輸入模型中，如圖( 5)所示為外部冷卻器仿真模型。G功率/效率對應(yīng)之轉(zhuǎn)速及扭力關(guān)系圖進行計算，如圖(7)所示為ISG驅(qū)動器仿真模型。電力電子/電池模

10、塊冷卻回路模型WPWP熱換TM 驅(qū)動器ISG電池組交器OBC/DCDC外部冷卻器電力電子/電池模塊冷卻回路包含：馬達驅(qū)動器(MCU)、OBC、DCDC、電池組等組件，其回路示意圖如圖(6)所示。圖(6) 電力電子/電池模塊示意圖電子組件作動時會產(chǎn)生熱量，若無法維持電子組件處于正常工作溫度，控制系統(tǒng)會降低輸出效能，甚至導致組件損壞。電力電子/電池模塊回路主要發(fā)熱源包含：(1)OBC/DCDC模塊、(2)ISG驅(qū)動器、(3)TM驅(qū)動器(4)電池本體，仿真模型搭建先依序完成上述發(fā)熱源發(fā)熱量計算，將發(fā)熱量傳遞至等效熱質(zhì)量塊上，再依實際物理模型布置狀況進行仿真模型鏈接。ISG驅(qū)動器仿真模型，發(fā)熱量計算系

11、用IS圖(7) ISG驅(qū)動器仿真模型TM驅(qū)動器仿真模型，發(fā)熱量計算系用ITM 功率/效率對應(yīng)之轉(zhuǎn)速及扭力關(guān)系圖進行計算，如圖(8)所示為TM驅(qū)動器仿真模型電池本體仿真模型，透過電池輸出電壓/電流進行發(fā)熱量計算，發(fā)熱量再傳至熱質(zhì)量塊進行熱交換，如圖(9)所示為電池模塊仿真模型。圖(8) TM驅(qū)動器仿真模型圖(9) 電池模塊仿真模型仿真模型標定仿真模型可快速提供系統(tǒng)反應(yīng)變化趨勢，協(xié)助快速解決系統(tǒng)問題，但仿真模型，需透過實際的標定測試來完成模型標定，以提高模型的準確性。標定測試主要讓系統(tǒng)于固定工況， 透過外部感知器進行系統(tǒng)溫度/壓力/流量等數(shù)據(jù)量測，再反饋至仿真模型中進行結(jié)果比對，若結(jié)果有差異則可調(diào)

12、整模型中測定參數(shù)，以使模型計算結(jié)果能與標定測試結(jié)果相符。動力分配模塊模型標定動力分配模塊仿真模型標定，系將系統(tǒng)量測之油溫、油壓及流量數(shù)據(jù)反饋至模型中來完成標定，以圖(10)為例，為外部冷卻器進/出油溫比對結(jié)果，圖(11)為ISG/TM本體溫度比對結(jié)果。圖(10)外部冷卻器進/出油圖(11) ISG/TM本體溫度比對結(jié)果電力電子/電池模塊模型標定電力電子及電池模塊模型標定，即在電力電子/電池回路中架設(shè)溫度/壓力/流量感知器，量測系統(tǒng)作動時輸出，再將標定測試結(jié)果反饋至仿真模型中進行比對，若結(jié)果有差異，則在仿真模型中進行參數(shù)調(diào)整，如圖(12)所示，為電子電力/ 電池回路中水泵標定測試與仿真結(jié)果相較圖

13、。圖(12)電子電力/電池回路水泵輸出電力電子回路除除關(guān)注水泵外，回路中主要組件進/出口溫度、壓力也是關(guān)注重點，如圖(13)所示，為回路各觀測點壓力量測與仿真模型計算結(jié)果標定結(jié)果圖。圖(13) 壓力標定結(jié)果比對電池回路中另外關(guān)注重點為電池溫度變化及回路冷卻液壓降現(xiàn)象，系統(tǒng)作動時需確保電池溫度低于設(shè)計規(guī)范值，如圖( 14)、(15)分別為電池進/出口溫度、壓力標定結(jié)果圖。圖(14) 電池進/出口溫度標定結(jié)果圖(15) 電池進/出口壓力標定結(jié)果仿真模型完成標定后，準確性提高，后續(xù)可利用該仿真模型進行系統(tǒng)優(yōu)化及設(shè)變前估算，有效提供工作效率，縮短開發(fā)時程。仿真模型靈敏度分析仿真模型完成后，可于模型中選定關(guān)鍵參數(shù)進行靈敏度分析，可找出影響系統(tǒng)效率的關(guān)鍵因子，進而完成系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計。以水泵為例，可以將水泵控制訊作為關(guān)鍵因子進行靈敏度分析，先在AMESim模型中選定輸入/輸出參數(shù)，設(shè)定完成后再與優(yōu)化工具OPTIMUS進行連結(jié)，將模擬結(jié)果傳遞到OPTIMUS工作環(huán)境中求解。圖(15)所示為在OPTIMUS環(huán)境下設(shè)定不同水泵控制訊號，相關(guān)輸出結(jié)果，由圖(16)為水泵靈敏度分析計算結(jié)果，由結(jié)果中可發(fā)現(xiàn)水泵控制訊號越高輸出流量越多，回路組件溫度越